围岩失稳及其影响因素初步探讨

陈欣 姚延化

摘要：隧道及地下工程设计与施工技术的发展，对隧道工程理论和实验的研究提出了新的挑战，许多学者对隧道硐室的围岩稳定做了大量的工作，并对影响围岩稳定性的因素、围岩强度判据和围岩失稳的力学机理进行了分析，取得了许多成果。

关键词 隧道硐室 稳定性 强度判据 围岩失稳

一、隧道围岩失稳形式

周围岩体作用于隧道或地下硐室衬砌或支护上的荷载，称为地层压力。地层压力产生效应，使围岩及硐室支护失稳破坏，这就是隧道及地下硐室围岩破坏的起因。人们通过对开挖后或者衬砌与支护后硐室围岩的变形与破坏，开始认识到地层压力，目前的研究与实践表明，隧道开挖后，应力状态可分为三个区域，即应力降低区、应力升高区、初始应力区。围岩压力类型则一般分为松动压力、形变压力、膨胀压力、冲击压力四种。

工程实际中，由于地质结构的不同，隧道破坏的类型也不近相同，但地下硐室围岩的破坏类型一般分为以下几种：

（1）围岩的局部坍塌。这种破坏大多在硐室的拱部发生，在硐室的侧壁也会偶尔出现，对于大块律岩体，因为结构面切割岩体后产生了许多形状各异不稳定结构体，而硐室在开挖后，这些结构体之间的摩擦力朝洞内滑移，使围岩坍塌。此類坍塌的规模一般比较小，高度一般在0.5米至2.5米，在2类及2类以上的硬岩中容易出现.

（1）围岩的拱形塌方。这类破坏形式一般在层状岩体或碎块状岩体等节理岩体中发生。它分二类：―类是在硐室截面范围之内，只是在拱部出现；另一类是扩大形的拱形塌方，塌方在侧壁等位置也会出现。此类塌方大多在2类以下的软弱地层中出现。

（2）围岩的异形破坏。异形破坏是由于硐室围岩存在溶洞、陷穴、浅埋、偏压等工程地质缺陷而产生的。在有上述特殊工程地质条件下的岩体中进行隧道施工时，应查明上述工程地质规模和对隧道的影响。

（3）膨胀岩硐室破坏。产生此类塌方的主要原因是由于膨胀压力很高，作用于硐室支护上，使围岩的稳定性和强度受到损失。

（3）大变形失稳和岩爆。岩爆是高地应力地区硐室中围岩弹性变形势能突然猛烈释放造成的岩体爆裂并弹射出来的现象。岩爆一般发生在有较大埋深硬脆岩体区，岩爆危害较大，严重威胁施工人员与施工设备的安全。岩爆产生的岩体结构为块状岩体，与断层、节理构造密切相关，软弱结构面不发育。

二、围岩稳定性判据

围岩的稳定性研究一直是研究隧道工程的热门问题，也是研究隧道等地下工程无法规避的一个问题。但是围岩稳定的判据到目前为止，仍然没有一个统一的标准，这主要因为在实際工程中所面对的情况太复杂了。通过大量的总结工作，当前的围岩稳定性判据一般分为以下三种：

（1）围岩强度判据：围岩强度判据是以岩石强度理论理论为基础建立的，如Drucker-Prager和Mohr-Coulomb准则等，从力学观点看，围岩丧失稳定就是其中应力达到或超过岩体强度的范围比较大，最后形成一个连续贯通的塑性区和滑裂面，因此，围岩稳定性评价实质上就是岩体应力和变形的分析。

（2）围岩极限应变判据：岩体处于破坏极限时的应变称为极限应变，极限应变一般要由岩石的室内单轴压缩试验才能得到，许多试验也表明，室内试验和原位试验的结果比较符合。虽然岩石的极限应变可以通过室内试验确定确定，但是在工程实际中如何确定却是一件很困难的事。所以围岩极限应变判据在工程实际中难以实施。

（3）围岩向洞内收敛位移判据：巷道围岩周边各点趋向于巷道中心的变形称为收敛，隧道收敛位移是指周边各点趋向于巷道中心的位移量。

三、隧道围岩稳定性影响因素

很多因素对围岩的稳定性产生影响，但是从性质上来说，一般分为两大类：第一类为客观存在的地质环境因素，如岩石的物理力学性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态等，它们决定了围岩的质量；第二类则属于工程活动的人为因素，如隧道的形状、尺寸、施工方法、支护措施等。

（1）岩体的结构特征

岩体的结构对围岩的稳定具有重大的影响，通过对围岩强度产生作用而使围岩的稳定状态受到影响。可以通过围岩的完整程度上来判断围岩的稳定状况，假如围岩较为完整，在隧道开挖后，当地应力较小时，应力重分布产生的作用一般不会使岩体破坏，即使岩体遭到破坏，所产生的破坏变形也较小。

（2）地下水的作用

围岩岩体中地下水赋存条件与活动状况，不管是对应力状态还是围岩强度，都有较大影响，从而影响險道围岩的稳定性。按照岩体中含水量的不同，可分为三级，即干燥、有渗水、潮湿，如表。大量的工程实践证明，水是影响隧道围岩稳定性的一个重要原因。地下水对围岩的影响一般有四个方面。1、静水压力作用，静水压力使围岩增加了额外的外在荷载，使作用于硐室围岩的荷载增加，对围岩稳定不利。2、动水压力作用，水流的流动带走了部分较小的岩土，从而破坏了岩石的整体稳定性。、润滑作用，地下水的作用，使岩体不连续面上产生润滑作用，从而导致摩擦阻力减小，即抗剪强度降低，岩体更易被破坏。3、软化作用，地下水的作用，使岩体的含水量增加，从而影响了岩体的强度性质，使岩体强度降低，增大了围岩的塑性变形或破坏区域的范围。

（3）隧道形状和埋深

隧道的截面形状和尺寸对隧道围岩稳定具有重大影响，主要体现在对围岩应力重分布的影响上。许多理论与实践证明，隧道的截面形状和尺寸，尤其是隧道的跨度，对开挖过程中的应力重分布具有显著的作用，在岩体性质与结构较为相似时，开挖跨度愈大，稳定性就愈差。把未幵挖前的岩体作为一个整体来看，开挖的跨度越大，岩体的破坏程度越高，从而导致稳定性越差。此外增加硐室的高度时，硐室两边的稳定性将受到影响。隧道的截面形状对隧道周边的应力集中程度有重要影响。对于圆形或者椭圆形隧道，室周边上可能出现的最大拉应力或最大压应力的部位在岩体内初始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的，两点，这两点之间所产生的应力值介于两个极值之间，并逐渐过渡。埋深对隧道稳定性的影响主要体现在增加围岩的初始地应力方面，深埋硐室导致高地应力，从而使围岩的稳定性降低，可能使硐室周边产生很大的塑性区域，并加大破坏程度。

参考文献：

【1】张涛，深埋硐室岩爆应力预测判据与应用研究 长沙：中南大学，

【2】李铀，彭意论圆形断面井巷围岩弹塑性应力莫尔一库伦准确解答，土工基础2006，200（2）：